[论文解读] Interference Cancellation and Iterative Detection for Orthogonal Time Frequency Space Modulation

P. Raviteja, Khoa T. Phan+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 16被引用 24

一句话总结

本文提出了一种低复杂度的消息传递算法，用于在延迟-多普勒信道中的正交时频空间（OTFS）调制中联合进行串扰消除与符号检测。通过利用信道稀疏性，并使用相位移位消除载波间串扰与符号间串扰，该方法通过选择性处理主导项有效抑制了多普勒间串扰，使实际的矩形波形能够实现与理想、不可实现的成形波形相当的性能。

ABSTRACT

The recently proposed orthogonal time frequency space (OTFS) modulation technique was shown to provide significant error performance advantages over orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in Doppler channels. In this paper, we derive the explicit input-output relation describing OTFS modulation and demodulation (mod/demod) for delay-Doppler channels. We analyze the interferences and develop a novel low-complexity yet efficient message passing (MP) algorithm for joint interference cancellation (IC) and symbol detection. The proposed MP algorithm can effectively compensate for a wide range of channel Doppler spreads.

研究动机与目标

• 解决OFDM在高多普勒、时变信道中的性能局限，特别是在高速移动通信中的应用。
• 利用理想双正交与实际矩形脉冲整形波形，分析OTFS调制在延迟-多普勒域中的输入输出关系。
• 识别并表征在OTFS中由非理想波形引起的干扰类型——多普勒间串扰（IDI）、载波间串扰（ICI）与符号间串扰（ISI）。
• 提出一种基于信道稀疏性的低复杂度消息传递算法，联合实现干扰消除与符号检测。
• 证明在实际条件下，使用矩形波形的OTFS可实现与使用理想、不可实现脉冲整形波形的OTFS相当的性能。

提出的方法

• 利用反辛空间有限傅里叶变换（ISFFT）与SFFT运算，推导出在延迟-多普勒信道中OTFS调制与解调的显式输入输出关系。
• 分析干扰分量：IDI源于理想波形中的分数多普勒效应；ICI与ISI则源于矩形波形中双正交性不完美。
• 提出一种基于稀疏因子图的消息传递（MP）算法，采用高斯近似以降低计算复杂度。
• 通过在频域中对齐干扰项，实施相位移位以消除ICI与ISI。
• 将MP算法改进为仅追踪最大干扰项，从而在无需完整信道状态信息的情况下高效抑制IDI。
• 将MP算法集成到迭代检测框架中，利用延迟-多普勒信道的稀疏特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同脉冲整形波形（理想双正交与实际矩形）如何影响OTFS系统中的干扰特性？
• RQ2 在使用矩形波形时，OTFS中的主导干扰类型（ICI、ISI、IDI）是什么？它们与理想波形情况下的干扰有何不同？
• RQ3 低复杂度的消息传递算法能否有效消除多种干扰类型（ICI、ISI、IDI），同时保持高谱效率？
• RQ4 在多大程度上，使用矩形波形的OTFS可实现与使用理想、不可实现脉冲整形波形的OTFS相当的性能？
• RQ5 所提出的基于MP的联合检测与干扰消除方案在不同多普勒扩展与信道条件下表现如何？

主要发现

• 尽管存在ICI与ISI，使用实际矩形波形的OTFS仍可实现与使用理想、不可实现脉冲整形波形相当的误码性能。
• 所提出的MP算法通过相位移位成功消除ICI与ISI，同时通过仅关注最大干扰项有效抑制IDI。
• 该算法在广泛的多普勒扩展范围内表现出鲁棒性，其低复杂度得益于高斯近似与稀疏性利用。
• 仿真结果表明，在各种延迟-多普勒信道条件（包括高速场景）下，未编码OTFS相比OFDM具有显著的误码性能增益。
• 在延迟-多普勒域中推导出的输入输出模型证实，ICI与ISI由矩形波形导致的双正交性丧失引起，而IDI即使在理想情况下也因分数多普勒效应而持续存在。
• 理论分析与仿真验证表明，MP算法能够高效收敛，并在计算负载显著低于传统检测方法的前提下，提供接近最优的性能。